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柴油机电辅助增压系统性能研究

责任编辑:澳门威尼斯app下载??? 发布时间:2020-08-15 ??? 【

摘要:为了消除涡轮滞后效应并增强柴油机低速性能,在涡轮增压柴油机系统的基础上进行改进,设计了一套电辅助增压柴油机系统。利用GT-Power 建模,研究电辅助增压系统与涡轮增压系统对柴油机性能的影响。研究表明:在中低转速时,电辅助增压柴油机系统的转矩获得了大幅增加,在1200RPM 转速下发动机转矩可由172N*m 增加至368N*m。几乎在全转速下,压气机平均效率可获得提升,在1200RPM 转速下由53%增涨至64%。当发动机转速超过2000RPM 时,受电动机最大额定功率限制,电辅助增压系统输出转矩略有下降。在2000RPM 转速下,电辅助增压系统输出转矩由140N*m 增加至430N*m 所需的响应时间减少了3.84s。在3000RPM转速下,对两系统中压气机实施相同的压比,在牺牲少量的输出功率情况下,电辅助增压系统的经济性得到大幅改善,最多可在增压比为1.8 时实现发电机回收净功率11.3kW,此时有效燃油消耗率最多可由260g/kWh 下降至241g/kWh。

关键词:柴油机涡轮增压;电辅助增压;有效燃油消耗率;经济性

0 引言

涡轮增压技术能够大幅改进柴油机性能,有效减少碳排放,几乎成为每一辆柴油车的标配[1]。由于涡轮增压存在滞迟效应,电气增压技术不可避免的受到更多研发人员的关注[2-12]。为了提升系统的低速性能,Stephane Tavernier 等提出了一种E-booster,通过将高速无刷直流电机(BLDC)和压气机耦合,由电动机直接驱动压气机来给进气增压,消除了涡轮滞后带来的不利影响[11]。但此种策略不能回收涡轮废气中的能量,致使系统能量利用效率降低。Weilin Zhuge 等提出了一种电涡轮耦合系统,基于传统涡轮增压器的基础上,在涡轮端并联一个发电用的涡轮,在满足系统增压需求的情况下,回收废气中的多余能量用来发电,供给汽车电气系统使用[4,12]。但此种策略不能消除涡轮滞后效应。Byeongil An 等提出了一种二级增压系统,利用传统涡轮增压器作为高压级增压,电机驱动压气机作为低压级增压,通过调控电机转速控制一级增压比,提高柴油机在低速下的瞬态响应[1]。但此种策略电机功率损失严重,且会带来安装困难。基于能量回收和提高系统低速性能的要求,本文在原有涡轮增压系统的基础上进行改进,设计了一套电辅助涡轮增压系统。原型涡轮增压器根据柴油机当前转速和负载调控涡轮旁通阀直径调控涡轮增压器转速,进而控制增压比,确保系统能够充分利用废气能量且不会产生过度增压。电辅助涡轮增压系统通过调控电动机功率带动压气机工作,控制压气机增压比,压气机转速独立于发动机转速。涡轮机在满足经济性的情况下回收废气能量通过发电机发电储存在电池中。同时电辅助增压柴油机根据当前转速和负载调整涡轮废气阀直径,确保排气背压不会过高从而影响燃烧效率。通过建立GT-POWER 模型,研究分析电辅助增压系统与原涡轮增压系统在不同转速不同压比下的性能表现。

1 系统布置与仿真模型

本文研究对象为某直列四缸四冲程、3.1L 直喷柴油机[13]。原型机为一台带涡轮增压器的柴油机。改进后为一台带电辅助增压器的柴油机,压气机由电机直接驱动,涡轮回收能量由发电机回收储存在电池中,示意图如图1 所示。电辅助增压系统中采用的压气机、涡轮机均与原涡轮增压系统相同。根据原系统中压气机功率需求,电气增压系统中采用的电动机、发电机最大额定功率均为20kW。

图1 电气辅助增压系统示意图

本文利用GT-Power 建模仿真,对比分析两系统的性能差异。其中建立的电辅助增压系统的模型如图2 所示。

图2 电辅助增压系统仿真模型

2 控制策略

针对两种不同系统,采用不同的控制策略。传统的涡轮增压发动机采用涡轮旁通控制技术,根据发动机当前负载和当前转速调整涡轮废气阀直径控制涡轮增压器转速,进而达到控制增压比的目的,其中废气阀直径为唯一控制变量。当发动机处于低转速高负荷时,旁通阀全关以保证涡轮增压器回收利用全部废气能量;当发动机处于高转速低负荷时,旁通阀全开放掉多余废气能量,确保涡轮增压器不会产生过度增压;当发动机工作于其它工况时,通过控制器调整旁通阀开度,确保涡轮增压能力满足系统需求。

电辅助增压发动机通过控制电动机功率的方式控制电机转速,从而带动压气机转动达到控制压气机增压比的目的。同时,为了确保排气背压不至于过大,需要调整废气阀门直径,确保涡轮机功率不超过20kW。电动机功率和废气阀直径均为控制变量。其中,通过PID 控制器以定转矩或定压比为目标调控电动机功率控制增压比。在电动机最大功率20kW 范围内,可依据发动机当前转速与负载自由调控增压比。通过优化算法以涡轮机功率为20kW 目标值计算出废气阀直径,当涡轮机功率不足20kW 时则废气阀开度为0。涡轮机回收废气能量经由发电机发电储存在电池中,发电功率至多为20kW。涡轮机与压气机分别独立工作。

3 仿真结果与分析

3.1 转矩分析

图3 转矩VS 发动机转速

图4 压气机流量线

发动机输出转矩是衡量柴油机加速性能的一个重要指标。原型涡轮增压柴油机在低速到高速下的最大输出转矩如图3 实线所示。最大转矩出现在2000RPM 转速下,转矩输出为435N*m。可以看出在低速下,发动机的输出转矩很低,系统加速性能差。此时涡轮增压器中压气机的流量MAP 图如图4 所示。图4 显示,在中低转速下,压气机的增压能力并未得到完全利用,此时仍有继续增压的空间。但在涡轮增压系统中,涡轮增压器转速受发动机当前转速限制,并不能自由进行增压。为了最大限度的利用原压气机的增压能力,可利用电机驱动压气机进行增压。改进后系统的最大转矩如图3 虚线所示,发动机最大转矩几乎保持不变,在中速下的转矩得到大幅度提升,在1600RPM 转速下转矩由321N*m 提升至427N*m,相当于扩宽了最大转矩范围。在1200RPM 转速下,输出转矩由172N*m 最大提升至368N*m,低速转矩也获得大幅提升。当转速高于2000RPM 后,受电机最大功率20kW 限制,电气增压系统压气机增压能力下降,导致系统输出转矩比原涡轮增压系统略低,在3000RPM 时由338N*m 下降至320N*m。不同转速下压气机功率图如图5 所示。图6 为不同转速下的压气机平均效率。由图可以看出,除了在1600RPM 时,电气增压系统中压气机平均效率在其他转速下均可获得不同程度提升,在1200RPM 转速下压气机平均效率可由53%提升至64%。图7 所示为不同转速下涡轮端进气温度,可以看出两系统的排气温度差距很小,排气温度变化趋势与压气机功率变化几乎一致。当转速低于2000RPM 时,涡轮增压系统的排气温度略高,超过2000RPM 时,电辅助增压系统的排气温度略高。

图5 压气机功率VS 发动机转速

图6 压气机平均效率VS 发动机转速

电气增压技术的另一个主要优势是消除了涡轮滞后效应,具有比涡轮增压系统更快速的瞬态性能。本文通过比较在2000RPM 转速下,涡轮增压系统和电辅助增压系统输出转矩从140N*m 增至430N*m 的响应时间来评价系统的瞬态性能。其中140N*m 为发动机在压气机增压比为1 时的输出转矩,430N*m 为发动机的最大输出转矩。图8 所示为发动机转矩随时间变化关系。转矩在1s 时开始增加,涡轮增压系统输出转矩在7.4s 后达到最大值430N*m,电辅助增压系统输出转矩在3.56s 后达到最大值430N*m。同样由140N*m 增至430N*m,电气增压系统所需的响应时间比涡轮增压系统少3.84s。

图7 排气温度VS 发动机转速

图8 发动机转矩VS 时间

3.2 能量回收

图9 电动机、发电机、净回收功率VS 增压比

电气增压系统相较涡轮增压系统的一大特点是当发动机运行在高速时,发电机能够回收废气能量储存在电源中,提升系统经济性。本文以3000RPM 转速为研究工况,对比发动机系统在不同增压比下电动机、发电机的功率,计算系统的净功率回收情况。电动机、发电机在增压比为1.2、1.5、1.8、2.1、2.4 下的功率示意图如图9 所示。从图中可以看出,随着增压比的上升,电动机消耗功率一直上涨,在增压比为2.4 时电动机消耗功率为18.3kW。而受发电机最大功率限制,发电机功率随增压比上升最多增至20kW,此后当增压比继续升高时,多余的废气能量只能通过废气阀门放掉。发电机功率减去电动机功率即为系统净回收功率。如图9 所示,在增压比为1.8 时,净回收功率达到最大值11.3kW。当增压比继续增加时,净回收功率反而下降。这是因为涡轮功率过大会显著影响排气背压,从而降低系统燃烧效率。因而当涡轮功率达到20kW 时,涡轮废气阀开启,放掉多余废气能量使排气背压不至于过大。两系统的涡轮废气阀直径如图10 所示。在涡轮增压系统中,由涡轮废气阀直径调控涡轮增压器转速,进而控制增压比,阀门直径越小,排出废气能量占比越少。在电辅助增压系统中,仅当涡轮机功率超过20kW 时才打开废气阀门,放掉多余废气能量保证排气背压不至于过大。图11 所示为涡轮增压系统、电气增压系统输出功率对比图。在压气机定压比的情况下,涡轮增压系统的输出功率要略高于电气增压系统,随着增压比的减小,功率差值逐渐减小。这是因为在低压比条件下,涡轮增压系统的废气能量大部分都通过废气阀门放掉,而电气增压系统的废气能量通过发电机全部回收,导致电气增压系统的排气背压高于涡轮增压系统,降低了系统的动力性能,因而电辅助增压系统的输出功率要略低于涡轮增压系统。随着增压比上升,涡轮增压系统中废气阀直径减小,电气增压系统中废气阀直径逐渐增大,两系统的排气背压趋于相等,系统输出功率也大致相同。两系统的排气背压如图12 所示。

图10 涡轮废气阀直径VS 增压比

图11 输出功率VS 增压比

图12 排气背压VS 增压比

发动机的有效燃油消耗率(BSFC)是衡量系统经济性的主要参数。涡轮增压系统和电辅助增压系统在定压比下的BSFC 如图13 所示。同样受排气背压的影响,当系统处于低增压比时,系统燃烧效率低下,电气增压系统的BSFC要高于涡轮增压系统。随着增压比上升,两系统的排气背压趋于相等,电气增压系统的BSFC 才逐渐与涡轮增压系统持平。考虑到发电机回收的废气能量,引入eBSFC 代替BSFC 作为电气增压系统经济性衡量标准。eBSFC=BSFC*发动机输出功率/(发电机功率-电动机功率+发动机输出功率)。对比图12 中eBSFC 和涡轮增压系统BSFC 可以看出,在全增压比下,系统的eBSFC 要比涡轮增压系统低,在增压比为1.8 时,eBSFC 最小值为241g/kWh,较涡轮增压系统减少了19g/kWh。综合考虑电机净回收能量后,电辅助增压系统的经济性实际上是要高于涡轮增压系统的,此时仅仅牺牲了少量的输出功率。

图13 BSFC VS 增压比

4 结论

本篇论文的目的是为了探索一种新型增压技术,能够消除传统涡轮增压系统的涡轮滞后效应,改善柴油机在低速转矩不足的特性,并且提升系统的经济性。本文设计了一种电辅助增压系统,通过电机直接驱动压气机给发动机系统增压,并利用发电机回收废气能量。通过对比原涡轮增压系统在不同转速下的性能表现,可以得到如下结论:

①在中低转速时,电辅助增压系统的最大输出转矩相比传统涡轮增压系统提升显著,拓宽了发动机的大转矩输出转速范围,在1200RPM 转速时输出转矩可由172N*m提升至368N*m;

②由电机直接驱动的压气机平均效率几乎在全转速下高于传统涡轮驱动压气机平均效率,在1200RPM 转速下,压气机平均效率可由53%提升至64%;

③在2000RPM 转速下,系统输出转矩由140N*m 增涨至430N*m 时,电辅助增压系统所需的响应时间较涡轮增压系统少3.84s,电辅助增压系统的瞬态响应性更好;

④考虑发动机在3000RPM 转速不同增压比时的能量回收,压气机压比为1.8 时回收净功率最大,最大功率为11.3kW。引入电机回收能量作为系统经济性考量时,电辅助增压系统的eBSFC 都要比涡轮增压系统的BSFC 要低,在增压比为1.8 时BSFC 由260g/kWh 下降至241g/kWh。


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